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格智百科 | 金属增材制造技术路线

2022/12/13    来源:格智大讲堂    作者:格智学院  李海峰      
关键字:金属增材制造  
从1984年第一个相关专利诞生,到2013年概念走红进入公众视野,时至今日增材制造(3D打印)技术,历经数十年的发展变迁,终于逐渐走向成熟和规范化。

Gartner技术成熟度曲线

图1 Gartner技术成熟度曲线

       然而早期标准缺失、高速发展和过度炒作的共同作用之下,不可避免的造成了信息冗杂混乱的现象:对增材制造技术的分类方法五花八门、同一种技术路线有5-6种甚至更多不同名称和定义等等,这无疑增加了人们对增材技术的理解难度,更是让不少行业新人感到眼花缭乱、一头雾水。

       本文依据以下增材制造相关国际标准及国家标准,并参考汇总各类文献,对增材制造技术路线进行了重新梳理,着重对适用于金属增材的技术路线进行说明,旨在厘清概念、便利沟通,以促进行业的标准化和规范化发展。

       ISO/ASTM52900:2021Additivemanufacturing-Generalprinciples—Fundamentalsand vocabulary
       GB/T35351-2017增材制术语
       GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料


增材制造定义

       英文名称:Additive Manufacturing

       英文缩写:AM

       中文名称:增材制造

       其他名称:快速原型、快速成形、快速制造、3D打印

       技术定义(ISO):Process of joining materials to make parts from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing and formative manufacturing methodologies

       技术定义(GB/T):以三维模型数据为基础,通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。

增材制造技术分类

       无论在ISO标准还是国标中,增材制造技术均被统一分为以下7大类:

增材制造技术分类

图2 增材制造技术分类

Binder Jetting(BJT)-粘结剂喷射

粘结剂喷射

粘结剂喷射工艺原理示意图

图3 粘结剂喷射工艺原理示意图
原理图来源:国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

       英文名称:Binder Jetting

       英文缩写:BJT

       中文名称:粘结剂喷射

       技术定义(ISO):Additive manufacturing process in which a liquid bonding agent is selectively deposited to join powder materials.

       技术定义(GB/T):选择性喷射沉积液态粘结剂粘结粉末材料的增材制造工艺。

       技术细分(ISO):

       ●BJT-SSt:单步工艺

       ●BJT-MSt:多步工艺

       归属此类的常见增材技术(俗称):BJAM,3DP,CPJ等

Directed Energy Deposition(DED)-定向能量沉积

定向能量沉积

定向能量沉积工艺原理示意图

图4 定向能量沉积工艺原理示意图
原理图来源:国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

       英文名称:Directed Energy Deposition

       英文缩写:DED

       中文名称:定向能量沉积

       技术定义(ISO):Additive manufacturing process in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting as they are being deposited.

       技术定义(GB/T):利用聚焦热将材料同步熔化沉积的增材制造工艺。

       技术细分(ISO):

       ●DED-LB:能量源为激光

       ●DED-EB:能量源为电子束

       ●DED-Arc:能量源为电弧

       归属此类的常见增材技术(俗称):LC,LENS,LMD,LDMD,LSF,EBDM,EBAM,EBF,WAAM等

Material Extrusion(MEX)-材料挤出

材料挤出

材料挤出工艺原理示意图

图5 材料挤出工艺原理示意图
原理图来源:国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

       英文名称:Material Extrusion

       英文缩写:MEX

       中文名称:材料挤出

       技术定义(ISO):Additive manufacturing process in which material is selectively dispensed through a nozzle or orifice.

       技术定义(GB/T):将材料通过喷嘴或孔口挤出的增材制造工艺。

       技术细分(ISO):

       ●MEX-CRB:化学反应固结

       ●MEX-TRB:热反应固结

       归属此类的常见增材技术(俗称):FDM,CFF等

Material Jetting(MJT)-材料喷射

材料喷射

材料喷射工艺原理示意图

图6 材料喷射工艺原理示意图
原理图来源:国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

       英文名称:Material Jetting

       英文缩写:MJT

       中文名称:材料喷射

       技术定义(ISO):Additive manufacturing process in which droplets of feedstock material are selectively deposited.

       技术定义(GB/T):将材料以微滴的形式按需喷射沉积的增材制造工艺

       技术细分(ISO):

       ●MJT-UV:紫外线照射固化

       ●MJT-CRB:化学反应固结

       ●MJT-TRB:热反应固结

       归属此类的常见增材技术(俗称):PJ,DOD,CMJ,NPJ等

Powder Bed Fusion(PBF)-粉末床熔融

粉末床熔融

两种典型的粉末熔融工艺原理示意图

图7 两种典型的粉末熔融工艺原理示意图
原理图来源:国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

       英文名称:Powder Bed Fusion

       英文缩写:PBF

       中文名称:粉末床熔融

       技术定义(ISO):Additive manufacturing process in which thermal energy sselectively fuses regions of a powder bed.

       技术定义(GB/T):通过热能选择性地熔化/烧结粉末床区域的增材制造工艺。

       技术细分(ISO):

       ●PBF-LB:能量源为激光

       ●PBF-EB:能量源为电子束

       ●PBF-IrL:能量源为红外光

       归属此类的常见增材技术(俗称):SLM,SLF,EBSM,EBM,SLS等

Sheet Lamination(SHL)-薄材叠层

薄材叠层

薄材叠层工艺原理示意图

图8 薄材叠层工艺原理示意图
原理图来源:国标GB/T35021-2018增材制造工艺分类及原材料

       英文名称:Sheet Lamination

       英文缩写:SHL

       中文名称:薄材叠层

       技术定义(ISO):Additive manufacturing process in which sheets of material are bonded to form a part.

       技术定义(GB/T):将薄层材料逐层粘结以形成实物的增材制造工艺。

       技术细分(ISO):

       ●SHL-AJ:粘结剂粘结

       ●SHL-UC:超声波固结

       归属此类的常见增材技术(俗称):LOM,UAM等

VAT photopolymerization(VPP)-立体光固化

立体光固化

两种典型的光固化工艺原理示意图

图9 两种典型的光固化工艺原理示意图

       英文名称:VAT photopolymerization

       英文缩写:VPP

       中文名称:立体光固化

       技术定义(ISO):Additive manufacturing process in which liquid photopolymer in a vat is sselectively cured by light-activated polymerization.

       技术定义(GB/T):通过光致聚合作用选择性地固化液态光敏聚合物的增材制造工艺。

       技术细分(ISO):

       ●VPP-UVL:紫外激光束曝光固化

       ●VPP-UVM:通过选择性地透过掩模照射紫外线进行固化

       ●VPP-LED:通过发光二极管的光曝光进行固化

       归属此类的常见增材技术(俗称):SLA,MJP,TPP,VAM,DLP,CLIP,LCD等。

金属增材技术路线及成熟度
 
       从标准中对增材制造技术分类的定义来看,7大类增材制造技术是从技术原理层面进行区分,并没有明确的划分金属或非金属增材技术。那么,适用于金属的增材技术路线有哪些呢?

       下图是基于Ampower出版的金属增材技术路线图,对常见的金属增材技术路线依据标准中的分类进行了标注。我们不难发现,事实上,7大类增材制造技术均可用于金属材料增材,而其中以属于PBF和DED两类的技术路线最多。

金属增材制造技术路线图

图10 金属增材制造技术路线图

       “技术就绪指数”(Technology Readiness Level,缩写“TRL”),也称为“技术备便水平”,是一种衡量技术发展(包括材料、零件、设备等)成熟度的指标,与1970-1980年代被NASA发展起来,后来被推广到美国国防部、美国能源部、欧洲航天局等美国联邦政府的机构及国际公司所使用。TRL评估等级分9个等级,9级代表技术最成熟,而6级则是代表进入航空航天领域应用的准入门槛。在NASA工程师发表的相关文献中指出,PBF-LB已达到TRL9,而PBF-EB,DED-LB,DED-EB,DED-Arc等技术成熟度均已达到TRL6或以上。

TRL评估等级

图11 TRL评估等级

       Ampower也开发了一个基于两个指数的模型来表征增材制造技术的成熟度。其中,技术成熟度指数评估了工艺能力、系统可靠性和可用性,并实施了质量控制措施;工业化指数评估已安装的系统基础、供应链、材料可用性、公众知识和研究以及每种技术的标准化。每个类别都根据其具体重要性进行加权。通常,技术成熟度首先增加,工业化随之而来。基于Ampower发布的2022金属增材成熟度指数,我们也可以看出,在金属增材的技术中,目前最成熟的是PBF和DED技术,均达到了工业化应用的程度。而从当前的市场规模数据来看,也印证了这一结论,2021年全球金属增材设备销售额达到9.9亿欧元,其中PBF已实现大规模工业应用占总份额83.8%,DED也已进入工业化应用占9.1%。

金属增材成熟度指数2022

图12 金属增材成熟度指数2022


主流金属增材技术对比(预告)

       为了更深入的了解金属增材技术原理、应用场景、优势与局限性,等等,下期我们将综合权威文献中的研究内容,对成熟度最高的PBF-LB,PBF-EB,DED-LB,DED-EB,DED-Arc五种金属增材技术路线从增材尺寸、效率、适用材料、零件复杂度、精度、成本、性能、后处理、技术成熟度等维度进行对比,以期为金属增材制造设计和工艺选择提供参考依据。
责任编辑:程玥
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